Summary
Næringsstoffer i partikler skjemaet kan bidra vesentlig til det samlede Last i landbruket drenering farvann. Denne studien beskriver en ny metode for å fange flyt-vektet vann og partikler suspendert fra gården kanalen avløp over hele varigheten av hendelsen drenering.
Abstract
Formålet med denne studien er å beskrive metodene som brukes til å fange flyt-vektet vann og partikler suspendert fra gården kanaler under drenering utslipp hendelser. Gården kanaler kan bli beriket av næringsstoffer som fosfor (P) som er utsatt for transport. Fosfor i form av partikler suspendert kan betydelig bidra til generelle P laster i avløp vann. En bosetting tank eksperimentet ble gjennomført for å fange partikler suspendert under diskret drenering hendelser. Gården kanalen utslipp vann ble samlet i en rekke to 200 L bosetting tanker over hele varigheten av hendelsen drenering, for å representere en sammensatt subsample av vannet som slippes ut. Ligger ved siden bosetting kjegler brukes til slutt å bosette seg ut partikler suspendert. Dette oppnås ved siphoning vann fra bosetting tankene via koner. Partikler deretter samles for fysikalsk-kjemiske analyser.
Introduction
Den skjebne og transport av partikler suspendert har vært gjenstand for mange studier på grunn av sin rolle i eutrofiering, spesielt i landbruket systemer1,2. En omfattende evaluering av næringsstoffer i partikler i en akvatiske systemet er nødvendig å undersøke rekke miljøspørsmål som interne sykling av næringsstoffer og slipp de overliggende vann kolonne3, substrat stabilitet, lett tilgjengelighet i vannsøylen og til slutt vann kvalitet bekymringer til nedstrøms økosystemer4. Antallet fosfor (P) lagret i skjemaet partikler (organisk materiale eller sedimenter) er vanligvis større enn i vann kolonne5. En studie utført av Kenney et al. 6 viste at siste sedimenter som ble avsatt i Lake Lochloosa, Florida var mellom aldersspredningen av 1900 og 2006. Disse yngre sedimenter inneholdt nesten 55 ganger mer P enn det som var til stede i vannsøylen. En tilnærming som karakteriserer den potensielle virkningen partikler kan ha på et bestemt system er å gjennomføre en kvantitativ oversikt over fosfor lagret i sedimenter slippes ut i avløp hendelser. Innsamling og analyse av disse utladet partikler kan hjelpe anslå nedstrøms nærings berikelse virkninger på følsomme økosystemer.
Storm hendelser vanligvis representerer en liten brøkdel av tid, men kan bidra flertallet av P Last utslippet i gården drenering. Dette skyldes at for å hindre felt fra flom, et stort volum av vann tømmes over kort tid. Nedbør intensitet og flyt priser er viktig kjører faktorer som kan styre konsentrasjonen av suspendert sedimenter i overland avrenning7. Utforme overvåking metoder som fanger flyt-vektet sammensatt vannprøver ville unngå feil forbundet med komplekse, høy intensitet regn hendelser. Under høye utslipp hendelser som stormer kan raske og drastiske endringer i konsentrasjoner ikke være representant for den gjennomsnittlige forurensende konsentrasjonen for trinnvis volumet. Derfor flyt-vektet vannprøver langt mer nøyaktig representerer konsentrasjonen av en utslipp hendelse som det er et sammendrag av belastninger over en periode av tid8. De vanligste flyt-vektet prøvene er automatisk samlet diskret eller sammensatt utvalg. Ved å fange de eksporterte partikler suspendert fra gården tillater drenering under lossing oss å kvantifisere alvorlighetsgraden av hendelsen på P lasting. Metoden beskrevet i denne studien hjelper fange partikler som kan senere karakteriseres for ulike fysiske og kjemiske egenskaper. Nyheten av prøvetaking drenering utslipp bruke en kontinuerlig sammensatt flyt mot Grip prøvetaking er at det er en bedre representasjon av feltet over hele varigheten av hendelsen drenering. Mens, grip prøvetaking er et "øyeblikksbilde" i tid og kanskje ikke fullt representere effekten av hele hendelsen.
Den Everglades landbruket området (EAA) i Sør-Florida, USA er et stort expanse opprinnelige Everglades som ble kanalisert og drenert for jordbruk, handel og boliger utvikling. Nesten er 1100 millioner m3 av vann utladet årlig fra og gjennom EAA i Sør og Sørøst9. Jordsmonnet i EAA er Histosols som vanligvis inneholder over 85% økologisk rolle vekt og har mindre enn 35% mineral innhold10. Kanalen sedimenter har vanligvis lav bulktetthet (mellom 0,14 g cm-3 til 0,35 g cm-3), høy organisk materiale innhold (mellom 31-35%) og Total P (TP) verdier varierer mellom 726-1,089 mg kg-1 11.
For denne demonstrasjonen, ble en gård i EAA valgt. Hydroscape av hvordan vannet flyter i EAA avhenger av pumper og gravitasjon. Hver gård i EAA omfatter på minst én viktigste kanalene, og flere feltet grøfter. Feltet grøfter kjøre vinkelrett til de viktigste kanalene. Pumpene vanligvis tjener to formål; de levere vanning vann til gården og også utslipp drenering vann off-site. Når feltene må dreneres, vann i den viktigste kanalen senkes og vann fra feltet avløp til grøfter, drevet av hydrauliske gradering. På grunn av bare en svak skråning i overflaten mesteparten av nedbøren som oppstår på feltene strømmer gjennom jordprofilen i transitt til feltet grøfter. Under vanning er systemet reversert. Det finnes ingen nettverk av flis drenering i EAA. Grunnvannsspeilet er opprettholdt i en bestemt høyde på grunn av et confining lag av kalkstein fjell underling jord. Vann er brakt inn gjennom de viktigste kanalene; feltet grøfter er fylt og vannet kan sive inn i jord-profil for å øke grunnvannspeilet nivåene i feltene. Krav til vanning vann i EAA oppstår vanligvis, i løpet av mars, April og mai (tørre årstiden), med lite drenering utslipp. I kontrast, er volumet av vann som slippes ut mellom juni og oktober (våte sesongen) betydelig høyere. Kanalen bank berms og grøfter gir minimal overflate avrenning som en potensiell kilde til P lasting i gården kanaler12.
I dette visuelle eksperimentet presenterer vi en ny metode for å registrere flyt-vektet partikler suspendert under drenering hendelser som senere kan brukes for fysikalsk-kjemiske karakterisering som bulktetthet, organisk materiale innhold og P fraksjoneres13 ,14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Datalogger installasjon og arbeid
- identifisere en studie gård og installere en datalogger som utløser en autosampler for å samle sammensatt flyt eksempler på flyt proporsjonal basis, som krever overvåking kanalen nivåer, pumpen hodet revolusjoner, og pumpen kalibrering ligningen.
figur 1: ISCO sampler til programmet automatisk-utvalg prosedyrer for sammensatt drenering vannet og partikler vann prøvetaking. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- overvåke gården kanalen nivåene med press transdusere installert i tilsig og utløp kanalene ved pumpen stasjonen.
- Monitor pumpen fart på hjelp nærhet brytere som er installert på pumpen hodene; hastighet er registrert av datalogger i omdreininger per minutt (rpm).
Merk: Nærhet brytere er biter av metall som gikk over hverandre teller antall RPM. De er sveiset på pumpen hodet. - Mål nedbør bruker en tipping bøtte regnmåler som er koblet til datalogger.
Merk: Datalogger kommuniserer ved radiotelemetri en base radiostasjon UF/IFAS Everglades forskning og utdanning Center. Telemetri er ikke nødvendig for å kontrollere prøvetaking, bare for datainnsamling og lagring.
2. Drenering flyt-vektet vannhentere
- Beregn drenering flyt med en datalogger og en pumpe kalibrering formel for hver pumpe. Drenering flyt-vektet prøvetaking oppnås ved en autosampler som er trukket ut av datalogger etter en utløser drenering volum oppnås.
Merk: Pumpen fart og flyt priser variere over 24 timer. ISCO prøvetaking utløses av volumet av vann utladet, ikke hastigheten. Autosampler er programmert til å samle inn en sub prøve etter en fast mengde vann utslipp. Volumet av vann utslipp er kalibrert basert på antall pumpe RPM. - Samle en sammensatt vann utvalget (minst 500 mL) med en i situ automatisert sampler på pumpen stasjonen og programmere den til å fange en daglig sammensatt vann utvalget under drenering hendelser.
Merk: Den ISCO sampler er liten til samling tankene med rør ledet gjennom en datalogger som tar en 2 L prøve hver 2 min opp til 400 L. - Programmet sample utløser volumer å tillate maksimalt 30 samplinger 24 h utslippet perioden.
- Programmet datalogger for oppsamling sammensatt flyt på følgende måte: Angi programmet → programmet → Flow basert prøvetaking → Sample hver 1 pulser → 30 sammensatt prøver → eksempel volumet av 130 mL → Kalibrer Prøve volum [NO] → angir starttidspunktet [NO] → programmet sekvens fullført.
- Store flyt-vektet sammensatt prøvene i en direkteregistrering kjøleskap på 4 ° C til samlingen og transport tilbake til laboratoriet for analyser i en is-fylt kjøligere.
- Analyser av vannprøver for løselig reaktive innen 24 timer fra tidspunktet for prøvetaking. Prøver som brukes for Total P (TP) analyse kan sur og lagres ved 4 ° C i opptil 28 dager 15.
3. Fange suspendert partikler
- plasserer en serie med to 200 L PVC bosetting tanker å samle gården kanalen utslipp vann over varigheten av drenering perioden til fange og karakterisere partikler suspendert.
- Programmet datalogger samle partikler suspendert eksempler på følgende måte: Program → tid basert prøvetaking → prøve hver 2 min → sammensatte prøver [200] → kalibrere eksempel volum [NO] → angi Start Time [NO] → Rekkefølge komplett → trykk prøvetaking knappen.
- Samle flyt-vektet drenering vann i innstillingen tanker (2 L hver 2 min) basert på volumet av vann over en 24 h samling perioden.
figur 2: to 200 L stridsvogner brukes til å samle drenering vann. Partikler suspendert bosette seg ut på bunnen av tanken og overføres i 5 gallon buckets. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- siphon av overflødig vann med slanger partikler begynner å bosette seg i tankene.
- Overføre partikler i 5 gallon buckets transportere dem tilbake til laboratoriet og plassere dem i kjøleskap på 4 ° C.
- Siphon av overflødig vann etter at 24 h, og overføre partikler inn ligger ved siden settling kjegler.
- Etter at minst 1t, siphon av overflødig vann en siste gang før utlignede partikler overføres i pre vektet 500 mL-ovenfra krukker for lagring på 4 ° C.
- Veier krukker med partikler prøver.
- Fortsetter med fosfor fraksjoneres analyser som beskrevet av Hedley og Stewart 14.
Figur 3: ligger ved siden settling kjegler brukes til å samle den partikler suspendert i bosetting tanken. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Metoden beskrevet i denne studien tillater oss å gjøre vann og partikler som slippes under pumpe hendelser på gårder kanaler. Vann og partikler som samles er flyt-vektet, som betyr at de er representant for hele varigheten av hendelsen pumping og ikke bare en engangs snapshot; gjør det svært representativt for typen materiale som slippes ut. Vann og partikler suspendert kan lagres for å bli analysert for ulike fysiske og kjemiske parametre. I denne artikkelen oppsummert vi noen av egenskapene til partikler suspendert fra tre gårder kanalene i EAA. Noen av fysikalsk-kjemiske analyser av partikler foreslår at de er svært organisk, med lav bulktetthet, og er rik på næringsstoffer som P 11. Bulk tettheten av partikler varierte mellom 0,08 g cm-3 til 0,11 g cm-3. Organisk materiale sammensetningen varierte mellom 55-77% og TP-konsentrasjoner som varierte mellom 2,173 mg kg-1 å 2,548 mg kg-1 (Figur 4). Kvaliteten på vann og suspendert sedimenter i gården kanalene er svært representativt av jordtype og omkringliggende arealbruk praksis. Innenfor EAA jord er svært organisk, > 50% organisk materiale (OM), og så ikke er det overraskende at partikler suspendert inneholder høy OM. Partikler også består av døde akvatiske plante materie (detrital), kjent for å inneholde høy P konsentrasjon16. Lav bulk tettheten i partikler suspendert er direkte relatert til høyere OM innholdet.
Figur 4: Bulk tetthet (cm-for g-3), organisk materiale (%) og totalt fosfor konsentrasjon (mg kg-1) av partikler fra gården kanalene. Feilfelt tilsvarer standardavvik. Endret fra Bhadha et al. 16 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Autosamplers for drenering vann partikler samling ble plassert i nærheten av de spennende pumpe stasjon dataloggers. Strøm ble levert av 12 V batterier som belastes av solcellepanel. Autosamplers var kontrollert av på stedets dataloggers, som viste autosamplers når Avslutt pumpene løp og slått dem av når pumping stoppet. Åpninger sampler inntak linjer ble plassert 0,5 m over kanalen bunnen og upflow fra pumpen stasjonen. Inntak linjene ble holdt på plass av installere et metall rebar i kanalen bunnen og zip knytte inntak linjen til rebar. Eksempler på 2 L ble samlet inn 200 L settling tanks hver 3 min. trykkprøver ble innsamlet daglig. I feltet ble flertallet av samplet vannet fjernet fra trommer bruker en bærbar inntaks-pumpe. Bosatt vann/sedimentet ble da plassert i 26 L bøtter med lokk og tilbake til forskningsstasjonen hvor de ble plassert i kjøleskap. Dagen ble vann fjernet bruker laboratorium sugekraft pumper.
Det er viktig at når siphoning partikler for å unngå fjerning av suspendert partikler som mulig. For å gjøre så, Legg en pipette tips til enden av slangen og være forsiktig å oppbevare spissen nær vannflaten. Det er vanlig med overflødig vann igjen i prøven ved lagring. Å vite fuktighetsinnhold vil tillate tørrvekt tilsvarende estimering av prøven, og holde målinger av alle beholdere med og uten prøven og extractants vil hjelpe spore nøyaktigheten av eksperimentelle prosedyren.
Nyheten av å bruke denne fremgangsmåten til å samle drenering vann er at det tillater ett å fange flyt-vektet utslipp vann i motsetning til fange prøvetaking. En flyt-vektet vann utvalget er mer representativt for en hendelse, fordi det er et sammensatt utvalg av mange sub prøver over tid; mens en fange prøven er bare et enkelt eksempel som ikke kanskje representant for hele drenering hendelsen. Flyt-vektet sampling metoden beskrevet i denne studien fungerer for innsamling av diskrete drenering hendelser fordi en kan programmere den automatisk sampler som passer deres ønskede mål. For eksempel kan den automatisk sampler være programmerte samle 30 mL sub utvalg av vann for hver time pumpen kjører. Eller flyt-vektet vann utvalget kan være programmerte samle 30 mL sub utvalg av vann etter en konstant trinnvis volum utslipp passerer sampler. Hver flyt-vektet prøve antas for å representere gjennomsnittlig forurensende konsentrasjonen for hele trinnvis volumet av vann som den samsvarer. Denne metoden tillater oss å måle nøyaktig forurensende konsentrasjoner selv om konsentrasjonen skulle endre uregelmessig. Fordelen av flyt-vektet prøver er at summering av laster beregningene er forenklet og antas å være mer nøyaktig fordi utslipp volumet er konstant hver representativt utvalg. En annen lagt fordelen med denne metoden er at det bevarer daglig flyt-vektet vann prøven på 4 ° C i nedkjølt forhold.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Det er ingen opplysninger forbundet med denne studien.
Acknowledgments
Vi ønsker å takke Pablo Vital og Johnny Mosley hjelpen for feltet prøvetaking, og Viviana Nadal og Irina Ognevich hjelpen laboratorieanalyser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Datalogger | Campbell Scientific | model CR1000 | |
| Auto-sampler | ISCO | model 3700 | |
| Pressure transducer | KPSI | model 700 | |
| Tipping bucket rain guage | Texas Electronics | model TR-525 | |
| Potassium Chloride | Fisher | 7447-40-7 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher | 1310-73-2 | |
| Hydrochloric Acid | Fisher | 7647-01-0 | |
| Sulfuric Acid | Fisher | 7664-93-9 | |
| Potassium Persulfate | Fisher | 7727-21-1 | |
| Ammonium Molybdate Tetrahydrate | Fisher | 12054-85-2 | |
| L-Ascorbic Acid | Fisher | 50-81-7 | |
| 100 mg/L Anhydrous Phosphate Standard | ERA | 061 | |
| Antimony Potassium Tartrate Trihydrate | Fisher | 28300-74-5 | |
| Durapore Membrane Filters | Millipore | HVLP04700 | |
| Whatman #41 Filter Paper | Whatman | 1441-150 | |
| Fixed Speed Reciprocal Shaker E6010 | Eberbach Corporation | E6010.00 | |
| Disposable Culture Tubes | Fisher | 14-961-29 | |
| Allegra 25R Centrifuge | Becker Coulter | U.S. 605168-AC | |
| Parafilm | Bemis Company Inc PM 999 | 13-374-12 | |
| Oak Ridge Centrifuge Tubes | Nalgene | 3119-0050 | |
| Fisherbrand 20mL HDPE Scintillation Vials with Urea Cap | Fisher | 03-337-23C | |
| Fisherbrand Natural Polypropylene Jars with White Polypropylene Unlined Cap | Fisher | 02-912-024A | |
| 0.45 membrane filters | Cole-Parmer | Item # UX-15945-25 | |
| 100 ml digestion tubes | Fisher | TC1000-0735 | |
| Glass funnels | Fisher | 03-865 | |
| Spectronic 20 Genesys | Thermo-Fisher | 4001-000 | |
| QuikChem | Latchat | 8500 |
References
- Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
- Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
- Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
- Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. , 74 (2010).
- Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
- Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
- Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. , Springer. New York. (2013).
- Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
- Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
- Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
- Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
- Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
- Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
- EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. , (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).
